книги / Технологические процессы и технические средства для глубинно-насосной эксплуатации нефтяных скважин

1.3. Работоспособность насосных штанг во взаимосвязи со структурой материала длинномерного изделия

Для установления работоспособности насосных штанг производства СССР и РФ для среднекоррозионных и высококоррозионных условий [17, 18, 19] были рассмотрены три представительные выборки по данным НГДУ «Осинскнефть» ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМНЕФТЬ», в состав которых были включены насосные штанги ШН22, ШН19 отечественных производителей. Характеристика выборки по году выпуска, наименованию завода-изготовителя и эксплуатационным показателям следующая.

1977–1980 гг. выпуска насосных штанг. В результате анализа эксплуатационных показателей от 1650 до 10050 штанг рассматриваемой выборки из стали 20Н2М и 15Х2НМФ было установлено, что вероятность Р1 безотказной работы за длительный период эксплуатации партии насосных штанг ШН22 из стали 15Х2НМФ производства машзавода им. В.И. Ленина (г. Пермь), насосных штанг ШН22, ШН19 из стали 20Н2М производства Бакинского машзавода им. л-та Шмидта (г. Баку) и насосных штанг ШН19 из стали 20Н2М производства Очёрского машзавода (г. Очёр) составила 0,994 (вероятность безотказной работы партии штанг через 3 млн циклов с 1980 г. – начала эксплуатации) плюс 0,0001·10–6 xNi (наработка штанг с шагом 3 млн циклов, но не более 54 млн циклов.

1986–1988 гг. выпуска насосных штанг. В результате анализа эксплуатационных показателей 1247 штанг рассматриваемой выборки из стали 15Х2НМФ и 15НЗМА было установлено, что вероятность Р2 безотказной работы партии насосных штанг ШН22 из стали 15Х2НМФ (изготовитель – завод им. В.И. Ленина, г. Пермь) составила 0,995 (вероятность безотказной работы партии штанг через 2,5 млн циклов с 1988 г. – начала эксплуатации) минус 0,0005·10–6 хNi (наработка штанг с шагом 2,5 млн циклов, но не более 12,5 млн циклов).

В продолжении наработки вероятность Р2', характеризующая работу данных штанг, составила 0,9981 (вероятность при 15 млн

31

циклов) плюс 0,0012·10–6 хNi (наработка штанг с шагом 2,5 млн циклов, но не более 32,5 млн циклов).

Вероятность Р3 безотказной работы партии насосных штанг из стали 15НЗМА (термообработка – низкотемпературный отжиг, изготовитель – Очёрский машзавод, г. Очёр) составила 0,999 (вероятность безотказной работы партии штанг через 2,5 млн циклов с 1988 г. – начала эксплуатации) ±0,01·10–6 хNi (наработка штанг с шагом 2,5 млн циклов, но не более 32,5 млн циклов).

1990–1992 гг. выпуска насосных штанг. В результате анализа эксплуатационных показателей 3627 штанг ШН22 и ШН19 рассматриваемой выборки из стали 15Х2НМФ, 20Н2М и 15НЗМА было установлено, что вероятность Р4 безотказной работы партии штанг ШН22 из стали 15Х2НМФ (изготовитель – ОАО «Мотовилихинские заводы», г. Пермь) и стали 20Н2М (термообработка – низкотемпературный отжиг, изготовитель – ОАО «Очёрский машзавод», г. Очёр) составила 0,997 (вероятность безотказной работы партии штанг через 2,5 млн циклов с 1993 г. – начала эксплуатации) плюс 0,00015·10–6 хNi (наработка штанг с шагом 2,5 млн циклов, но не более 20 млн циклов).

Вероятность Р5 безотказной работы партии штанг ШН19 из стали 15НЗМА и 20Н2М (термообработка – низкотемпературный отжиг, изготовитель – Очёрский машзавод, г. Очёр) составила 0,9965 (вероятность безотказной работы партии штанг через 2,5 млн циклов с 1993 г. – начала эксплуатации) ±0,0005·10–6 хNi (число циклов наработки до 17,5 млн циклов).

Анализ вероятностных показателей работы штанг был осуществлен с применением программы SPSS статистической обработки на персональном компьютере Pentium.

Для подтверждения границы возможного использования насосных штанг из стали 20Н2М, 15НЗМА и 15Х2НМФ в промысловых условиях были проведены коррозионно-усталостные испытания в среде пластовой воды и в среде, имитирующей действие сероводорода. Результаты коррозионно-усталостных испытаний насосных штанг представлены в табл. 1.4.

32

Наряду с обезуглероженным слоем вблизи поверхности штанг также при проведении металлографических исследований образцов из 39 фрагментов штанг (материал 20Н2М, 15Х2НМФ, 38ХМ) было установлено, например, что микроструктура нормализованных штанг из стали 20Н2М имеет в сердцевине структуру феррито-перлитного типа с полиэдрическим или оскольчатым ферритом, неориентированную или с полосчатым строением (см. табл. 1.4).

Другой особенностью внутреннего строения у ряда нормализованных штанг из стали 20Н2М являлась неоднородность структуры по сечению: вблизи поверхности на глубине до нескольких миллиметров структура имела неориентированный, а в центре – ориентированный (вдоль оси штанг) характер (рис. 1.8). Подобная морфология внутреннего строения штанг, вероятно, связана с неоднородными деформациями и динамической рекристаллизацией при прокате; последеформационный нагрев при нормализации мог еще более усилить неоднородность структуры.

Рис. 1.8. Неоднородная микроструктура 100-кратного увеличения сечения фрагмента насосной штанги (а – поверхность, б – сердцевина) скважины №507 (НГДУ «Осинскнефть» ПО «Пермнефть»), отработавшей 4,5·106 цикловнагружения, изготовительОчёрский машзавод(г. Очёр), сталь 20Н2М, режим термообработки нормализация

33

представлена на рис. 1.10. Характеристика микроструктуры в разных по травимости зонах представлена

на рис. 1.11, 1.12, 1.13.

Твердость материала штанги была измерена на фрагментах через каждые 15 мм по Бринеллю на площадке шириной 12 мм по ее длине (распределение твердости представлено на рис. 1.14).

Таким образом, результаты выполненных исследований штанг из стали 20Н2М, 15Х2НМФ, разрушившихся в разное время в процессе работы, показали, что все вышеустановленные отклонения техни-

34

–присутствие протяженного по длине и радиусу штанги слоя

спониженной твердостью;

–высота слоя с пониженной твердостью у ряда фрагментов достигала нескольких миллиметров, что свидетельствует о недиффузионной природе данного протяженного слоя;

–долговечность штанг из стали 20Н2М и 15Х2НМФ изменялась по закону, близкому к гиперболическому, по мере увеличения толщины протяженного слоя с пониженной твердостью.

Перечень скважин, эксплуатируемых штангами насосными 1977–1988 гг. выпуска с протяженным слоем с пониженной твердостью, представлен в табл. 1.5.

Таблица 1 . 5

Долговечность и глубина слоя с пониженной твердостью у бывших в эксплуатации штанг из стали 20Н2М, 15Х2НМФ, 38ХМ

37

Окончание табл. 1 . 5

При этом качественная характеристика фрагментов штанг без слоя с пониженной твердостью, отработавших до разрушения 0,3·106– 9,1·106 циклов, следующая:

–видимые следы пластической деформации внешней поверхности образцов штанги со скважины № 114;

–повышенное значение микротвердости в районе усталостного излома и ее распределение с максимумом на поверхности образцов со скважин № 114, 204, 356, 825, что в конечном итоге не исключает местную пластическую деформацию тела штанг;

–видимые следы механического повреждения внешней поверхности образцов штанг со скважин №160, № 204, приведшие к снижению усталостной прочности насосной штанги, что подтверждено результатами, об этом свидетельствуют данные, приведенные в [16];

38

–видимая визуально и/или инструментально местная пластическая деформация внешней поверхности образца со скважины № 114, при этом характерна повышенная микротвердость в районе усталостного излома;

–видимая и невидимая точечная коррозия, местная пластическая деформация внешней поверхности образцов штанг со скважин

№№512, 2199, достаточная для формирования зародышей усталостной трещины и только в ряде случаев устанавливаемая инструментальным путем [4, 5];

–наличие в поверхности штанг протяженного неоднородного слоя с пониженной микротвердостью, предположительно с высоким уровнем растягивающих напряжений.

Однако, как установлено в данных исследованиях, долговечность штанг может заметно снижаться и при отсутствии видимых следов пластической деформации. Возникает вопрос о величине этой деформации, при которой критическая плотность дефектов оказывается, по-видимому, достаточной для формирования зародышей усталостной трещины [21].

Если исключить из рассмотрения данные, относящиеся к штангам, имеющим пластически деформированную зону вблизи поверхности усталостного разрушения, то выделенные результаты, представленные в табл. 1.5, как оказалось, могут быть аппроксимированы следующими уравнениями:

где у1, х1 – долговечность и толщина слоя с пониженной твердостью нормализованных штанг из стали 20Н2М; у2, х2 – долговечность и толщина слоя с пониженной твердостью термоулучшенных штанг из стали 15Х2НМФ.

Аппроксимация результатов, полученная при проведении исследования, выполнена по программе, составленной сотрудником лаборатории № 3 ПНИТИ (г. Пермь) И.В. Шендеровым. В выбранном режи-

40